TWM651995U - 固晶接合結構 - Google Patents
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- Die Bonding (AREA)
Abstract
本揭露涉及一種固晶接合結構，包括：載板；燒結層，位於載板上；奈米孿晶層，位於燒結層上，其中奈米孿晶層的表面具有密度80%以上的[111]結晶方位，其中奈米孿晶層具有平行排列孿晶界，平行排列孿晶界包括40%以上的[111]結晶方位，且平行排列孿晶界的間距為10至100奈米；黏著層，位於奈米孿晶層上；以及晶片，位於黏著層上。
Description
本揭露實施例是關於固晶接合技術，特別是關於一種具有奈米孿晶層之固晶接合結構。
針對功率積體電路（integrated circuit, IC）模組及高功率發光二極體（light-emitting diode, LED）封裝，需將晶片與陶瓷基板進行固晶接合（Die Bonding），習知技術包括：金矽共晶接合（Eutectic Bonding）、黏膠接合、銲錫接合等均無法承受晶片高溫運作，可靠度亦不佳，銀燒結及銅燒結是目前逐漸普遍採用方法，尤其在電動車功率模組封裝已被廣泛接受，然而銀燒結及銅燒結固晶接合的高溫所產生的熱應力造成極大的破損風險，且接合強度一般低於20MPa。
不論是功率IC模組或高功率LED封裝固晶接合前，晶片背面均需施加金屬層，傳統背晶金屬層結構採用Ti/Ni/Ag，其中最外層銀的晶粒結構為等軸粗晶粒，其晶界均為雜亂晶格方位。
中華民國發明專利第I432613號揭示一種電鍍銅奈米孿晶的方法，中華民國發明專利第I703226號則揭示一種濺鍍銀奈米孿晶的方法，中華民國發明專利第I810631號更揭示一種利用離子束轟擊輔助蒸鍍銀奈米孿晶的方法，這些習知技術均證實可以獲得高密度（111）結晶方位的奈米孿晶層，而已知（111）結晶方位的原子擴散速率較（100）及（110）結晶方位的原子擴散速率高3~5個數量級。
針對其應用，中華民國發明專利第I686572號揭示一種利用銅奈米孿晶進行低溫直接結合的方法。中華民國發明專利第I756106號更利用銀奈米孿晶進行晶片與陶瓷基板的低溫直接固晶接合。然而這些習知奈米孿晶直接堆疊接合技術的接合界面均為10微米以下的薄膜結構，其接合強度一般僅達20 至40 MPa，且在可靠度試驗有極大顧慮，尤其在晶片與陶瓷基板的固晶接合，習知奈米孿晶直接堆疊方法是在晶片與陶瓷基板之間直接夾入奈米孿晶薄膜以進行兩者的固晶接合，很容易造成接合界面破裂，因此目前仍未被廣泛採用，尤其對於要求極嚴苛的車用高功率模組，仍無法應用。
本揭露的一些實施例提供一種固晶接合結構，包括：載板；燒結層，位於載板上；奈米孿晶層，位於燒結層上，其中奈米孿晶層的表面具有密度80%以上的[111]結晶方位，其中奈米孿晶層具有平行排列孿晶界，平行排列孿晶界包括40%以上的[111]結晶方位，且平行排列孿晶界的間距為10至100奈米；黏著層，位於奈米孿晶層上；以及晶片，位於黏著層上。
在一些實施例中，載板包括：金屬散熱片、表面被覆銅電路層及保護層的印刷電路板、或表面被覆銅電路層及保護層的陶瓷基板。
在一些實施例中，保護層包括：有機可焊性保護層（OSP）或金屬薄膜。
在一些實施例中，金屬薄膜包括：Ni、Ni/Pd、Ni/Au、或Ni/Pd/Au。
在一些實施例中，陶瓷基板包含：氧化鋁（Al
2O
3）、氮化鋁（AlN）、或氮化矽（Si
3N
4）。
在一些實施例中，金屬散熱片包括：鋁或銅。
在一些實施例中，燒結層包含：銀、銅、或銀銅複合物。
在一些實施例中，奈米孿晶層包括：銀、銅、或銀銅合金。
在一些實施例中，奈米孿晶層的厚度為0.1至100微米。
在一些實施例中，黏著層包括：鈦、鋁鈦、鉻、或鈦鎢。
在一些實施例中，黏著層的厚度為0.01微米至10微米。
在一些實施例中，晶片為功率積體電路（IC）晶片、或發光二極體晶片。
在一些實施例中，晶片包括下述材料之單晶：矽（Si）、鍺（Ge）、碳化矽（SiC）、藍寶石（Sapphire）、砷化鎵（GaAs）、或氮化鎵（GaN）。
在一些實施例中，黏著層與奈米孿晶層直接接觸。
以下揭露提供了許多的實施例或範例，用於實施所提供的標的物之不同元件。各元件和其配置的具體範例描述如下，以簡化本揭露實施例之說明。當然，這些僅僅是範例，並非用以限定本揭露實施例。舉例而言，敘述中若提及第一元件形成在第二元件之上，可能包含第一和第二元件直接接觸的實施例，也可能包含額外的元件形成在第一和第二元件之間，以使它們不直接接觸的實施例。此外，本揭露實施例可能在各種範例中重複參考數字以及∕或字母。如此重複是為了簡明和清楚之目的，而非用以表示所討論的不同實施例及∕或配置之間的關係。
以下描述實施例的一些變化。在不同圖式和說明的實施例中，相似的元件符號被用來標示相似的元件。可以理解的是，在方法的前、中、後可以提供額外的步驟，且一些所敘述的步驟可在所述方法的其他實施例被取代或刪除。
再者，其中可能用到與空間相對用詞，例如「在……之下」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」等類似用詞，是為了便於描述圖式中一個（些）部件或部件與另一個（些）部件或部件之間的關係。空間相對用詞用以包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時（旋轉90度或其他方位），其中所使用的空間相對形容詞也將依轉向後的方位來解釋。當諸如上面列出的那些空間相對用詞用於描述第一個部件相對於第二個部件時，第一部件可以直接在另一個部件上，或者可以介於部件或層之間。當一個部件或層被稱為在另一個部件「上」時，它將直接在另一個部件或層上並與另一個部件或層直接接觸。
本文所用用語僅用以闡釋特定實施例，而並非旨在限制本揭露概念。除非表達在上下文中具有明確不同的含義，否則以單數形式使用的所述表達亦涵蓋複數形式的表達。在本說明書中，應理解，例如「包含」、「具有」、及「包括」等用語旨在指示本說明書中所揭露的特徵、數目、步驟、動作、組件、部件或其組合的存在，而並非旨在排除可存在或可添加一或多個其他特徵、數目、步驟、動作、組件、部件或其組合的可能性。
本揭露提供一種具有奈米孿晶層的固晶接合結構，可在使晶片在約150℃~350℃的低溫下與載板進行接合，以確保功率模組封裝的製程良率及良好的接合強度（例如：高於20MPa），且同時由於燒結層的存在，避免了奈米孿晶直接接合（在晶片與陶瓷基板之間直接夾入奈米孿晶薄膜）的界面破裂問題，有效提升封裝產品的可靠度。再者，黏著層可提供晶片與奈米孿晶層之間較佳的接合力以避免產生剝落，且同時具有晶格緩衝的效果以減少晶片晶格對成長銀奈米孿晶結構的影響。此外，由於進行低溫接合製程，可避免因高溫而造成不期望的擴散發生，因此，黏著層與奈米孿晶層之間不需要擴散阻障層，同時可避免奈米孿晶層與擴散阻障層的接合力較差的可能。
第1圖至第4圖是根據一些實施例，繪示出固晶接合結構100於不同製造階段之剖面示意圖。
參見第1圖，在一實施例中，提供晶片102。在一實施例中，晶片102可包括功率積體電路（integrated circuit, IC）晶片或發光二極體晶片。在一實施例中，晶片102可包括下述材料之單晶：矽（Si）、鍺（Ge）、碳化矽（SiC）、藍寶石（Sapphire）、砷化鎵（GaAs）、或氮化鎵（GaN）。
接著參見第2圖，在一實施例中，形成黏著層104於晶片102上。
在一些實施例中，黏著層104可以提供晶片102與奈米孿晶層106（如第3圖所示）之間較佳的接合力，由於奈米孿晶層106與晶片102結合力不足，固晶接合結構100很容易從晶片102與奈米孿晶層106之間產生破裂。在實務上，當奈米孿晶層106的厚度大於2微米時，奈米孿晶層106與晶片102的接合力容易明顯劣化，並且極易剝落。因此，本揭露在形成奈米孿晶層106之前，先在晶片102上形成黏著層104，可以確保當奈米孿晶層106超過10微米以上時，奈米孿晶層106與晶片102仍保持良好的接合力。
在一些實施例中，黏著層104具有晶格緩衝的效果，若直接在晶片102上形成奈米孿晶層106，則奈米孿晶層106會受到晶片102的結晶方位影響。舉例而言，在（100）方位的晶片上形成的薄膜不易形成（111）的結晶方位，因此，只有在（111）方位的晶片102上可以形成高孿晶密度的奈米孿晶層106，而在（110）方位的晶片102上所形成的奈米孿晶結構則具有很低的孿晶密度。然而，本揭露的黏著層104對於在不同方位的晶片102上形成孿晶結構具有晶格緩衝的功效。詳細而言，無論晶片102的結晶方位為（100）、（110）、或（111），所形成的奈米孿晶層106皆具有40%以上的[111]結晶方位。應當理解，黏著層104不僅可以在上述（100）、（110）、或（111）方位的晶片102上形成（111）結晶方位的奈米孿晶層106，對於其他晶片（例如SiC、GaAs等）也具有減少晶片結晶方位對後續沉積孿晶結構結晶方位的影響的功效。
在一實施例中，黏著層104可包括鈦、鋁鈦、鉻、或鈦鎢。在一實施例中，黏著層104的厚度為0.01微米至10微米（例如：0.02至0.2奈米）。應當理解，黏著層104的厚度可以依照實際應用適當調整，本揭露不限於此。
在一實施例中，形成黏著層104的方式可包括濺鍍、蒸鍍或電鍍。根據一些實施例，黏著層104可利用濺鍍的方式形成在晶片102上。濺鍍採用單槍濺鍍或多槍共鍍。濺鍍電源可以使用例如直流電（DC）、DC plus、射頻（RF）、高功率脈衝磁控濺鍍（high-power impulse magnetron sputtering, HIPIMS）等。黏著層104的濺鍍功率可以為例如約100W至約500W。濺鍍製程的溫度為室溫，但濺鍍過程溫度會上升約50℃至約200℃。濺鍍製程的背景壓力為1x10
-5torr。工作壓力可以為例如約1x10
-3torr至約1x10
-2torr。氬氣流量約10 sccm至約20 sccm。載台轉速可以為例如約5 rpm至約20 rpm。濺鍍過程基板施加偏壓約-100V至約-200V。黏著層104的沉積速率可以為例如約0.5 nm/s至約3 nm/s。應當理解，上述濺鍍製程參數可以依照實際應用適當調整，本揭露並不以此為限。
根據另一些實施例，黏著層104可利用蒸鍍的方式形成在晶片102上。蒸鍍製程的背景壓力為1x10
-5torr。工作壓力可以為例如約1x10
-4torr至約5x10
-4torr。氬氣流量約2 sccm至約10 sccm。載台轉速可以為例如約5 rpm至約20 rpm。黏著層104的沉積速率可以為例如約1 nm/s至約5.0 nm/s。應當理解，上述蒸鍍製程參數可以依照實際應用適當調整，本揭露不以此為限。
接著參見第3圖，在一實施例中，形成奈米孿晶層106於黏著層104上，奈米孿晶層106的表面具有密度80%以上（例如：大於85%或大於90%）的[111]結晶方位，奈米孿晶層106具有平行排列孿晶界，此平行排列孿晶界包括40%以上（例如：大於50%或大於60%）的[111]結晶方位，且平行排列孿晶界的間距為10至100奈米（例如：20至30奈米）。
孿晶組織的形成是由於材料內部累積應變能驅動部分區域之原子均勻剪移（shear）至與其所在晶粒內部未剪移原子形成相互鏡面對稱之晶格位置。孿晶包括：退火孿晶（annealing twin）與機械孿晶（mechanical twin）兩種。其相互對稱之界面即為孿晶界（twin boundary）。
孿晶主要發生在晶格排列最緊密之面心立方（face centered cubic, FCC）或六方最密堆排（hexagonal closed-packed, HCP）結晶材料。除了晶格排列最緊密結晶構造條件，通常疊差能（stacking fault energy）越小的材料越容易產生孿晶。
孿晶界為調諧（Coherent）結晶構造，屬於低能量之Σ3與Σ9特殊晶界。結晶方位均為{111}面。相較於一般退火再結晶所形成的高角度晶界，孿晶界的界面能約為一般高角度晶界的5%（請參考：George E.Dieter, Mechanical Metallurgy, McGRAW-HILL Book Company, 1976, P.135-141）。
由於孿晶界較低的界面能，可以避免成為氧化、硫化及氯離子腐蝕的路徑。因此展現較佳的抗氧化性與耐腐蝕性。此外，此種孿晶之對稱晶格排列對電子傳輸的阻礙較小。因而展現較佳的導電性與導熱性。由於孿晶界對差排移動的阻擋，使材料仍可維持高強度。此兼具高強度與高導電性的特性在銅薄膜已獲得證實（請參考：L.Lu, Y.Shen, X.Chen, L.Qian, and K.Lu, Ultrahigh Strength and High Electrical Conductivity in Copper, Science, vol.304, 2004, p.422-426）。
就高溫穩定性而言，由於孿晶界較低的界面能，其孿晶界較一般高角度晶界穩定。孿晶界本身在高溫狀態不易移動，也會對其所在晶粒周圍的高角度晶界產生固鎖作用，使這些高角度晶界無法移動。因而整體晶粒在高溫不會有明顯的晶粒成長現象以維持材料的高溫強度。
就通電流的可靠性而言，由於原子經由低能量孿晶界或跨越孿晶界的擴散速率較低。在使用電子產品時，高密度電流所伴隨線材內部原子移動也較為困難。如此解決線材在通電流時常發生的電遷移（Electromigration）問題。在銅薄膜已有報導證實孿晶可抑制材料電遷移現象（請參考：K.C.Chen, W.W.Wu, C.N.Liao, L.J.Chen, and K.N.Tu, Observation of Atomic Diffusion at Twin-Modified Grain Boundaries in Copper, Science, vol.321, 2008, p.1066-1069.）。
在一實施例中，奈米孿晶層106可包括銀、銅、或銀銅合金。在一實施例中，奈米孿晶層106的厚度為0.1至100微米（例如：0.5至10微米）。當奈米孿晶層106的厚度小於0.1微米，在後續接合製程時，奈米孿晶層106可能會快速與接合材料反應殆盡，所形成的界面介金屬化合物與晶片102並無結合力而導致界面脫落，在應用上不具意義。而當奈米孿晶層106的厚度大於100微米，奈米孿晶層106很容易從晶片102上的黏著層104剝落。
在一些實施例中，奈米孿晶層106可以藉由濺鍍、蒸鍍、或電鍍形成。根據一些實施例，濺鍍採用單槍濺鍍或多槍共鍍。濺鍍電源可以使用例如DC、DC plus、RF、高功率脈衝磁控濺鍍（HIPIMS）等。奈米孿晶層106的濺鍍功率可以為例如約100W至約500W。濺鍍製程溫度為室溫，但濺鍍過程溫度會上升約50℃至約200℃。奈米孿晶層106的沉積速率可以為例如約0.5nm/s至約3nm/s。濺鍍背景壓力小於1x10
-5torr，工作壓力可以為例如約1x10
-3torr至1x10
-2torr。氬氣流量約10 sccm至約20 sccm。載台轉速可以為例如約5 rpm至約20 rpm。濺鍍過程基板施加偏壓約-100V至約-200V。應當理解，上述濺鍍製程參數可以依照實際應用適當調整，本揭露內容不限於此。
根據另一些實施例，可以藉由蒸鍍的方式將奈米孿晶層106形成在黏著層104上。在一些實施例中，蒸鍍製程的背景壓力小於1x10
-5torr，工作壓力可以為例如約1x10
-4torr至約5x10
-4torr，氬氣流量約2 sccm至約10 sccm。載台轉速可以為例如約5 rpm至約20 rpm。奈米孿晶層106的沉積速率可以為例如約1 nm/s至約5.0 nm/s。蒸鍍過程另外針對奈米孿晶層106施加離子撞擊，其電壓約10V至約300V，電流約0.1A至約1.0A。應當理解，上述蒸鍍製程參數可以依照實際應用適當調整，本揭露內容不限於此。
參見第4圖，在一實施例中，執行接合製程，將奈米孿晶層106通過燒結層108接合至載板110。如圖所示，將第3圖中的晶片102、黏著層104、以及奈米孿晶層106翻轉後透過燒結層108堆疊在第4圖中的載板110上，並進行固晶接合。在一實施例中，固晶接合結構100包括載板110、位於載板110上的燒結層108、位於燒結層108上的奈米孿晶層106、位於奈米孿晶層106上的黏著層104、以及位於黏著層104上的晶片102。
在一實施例中，接合製程可包括先設置燒結材料於載板110上，接著使奈米孿晶層106與燒結材料貼合，並加熱燒結材料以形成燒結層108，但本揭露不以此為限。在其他實施例中，接合製程可包括先設置燒結材料於奈米孿晶層106上，接著使載板110與燒結材料貼合，並加熱燒結材料以形成燒結層108。
在一些實施例中，燒結層108可作為緩衝以避免奈米孿晶層106與載板110直接接合產生的界面破裂問題，有效提升封裝產品的可靠度。在一實施例中，燒結材料可包括銀膏、銅膏、或銀包覆的銅膏，其經加熱燒結可各自形成包括銀、銅、或銀銅複合物的燒結層108。
在一實施例中，載板110可包括金屬散熱片，金屬散熱片可包括鋁或銅。在另一實施例中，載板110可包括表面被覆銅電路層及保護層的印刷電路板、或表面被覆銅電路層及保護層的陶瓷基板。在一些實施例中，保護層位於銅電路層上，用於避免銅電路層在常態環境下與空氣接觸而生鏽（硫化或氧化）。在一實施例中，保護層可包括有機可焊性保護層（organic solderability preservative, OSP）或諸如Ni、Ni/Pd、Ni/Au、或Ni/Pd/Au等金屬薄膜。在一實施例中，陶瓷基板可包括氧化鋁（Al
2O
3）、氮化鋁（AlN）、或氮化矽（Si
3N
4）。
接合製程可在真空、保護性氣氛或大氣下執行。在一實施例中，接合製程在5MPa至30MPa的壓力（例如：10MPa至25MPa或15MPa至20MPa）以及100℃至350℃的溫度下（例如：100℃至250℃、150℃至200℃或120℃至180℃）執行，在此壓力範圍不論晶片102或奈米孿晶層106均可以保持完好無傷。習知技術雖可在0.8MPa至3 MPa的低壓進行接合，然而其在接合前必須先對奈米孿晶薄膜進行化學機械拋光（chemical mechanical polishing, CMP），以減少表面粗糙度，不僅製程繁複，且會破壞奈米孿晶薄膜。本揭露在不傷害晶片102及奈米孿晶層106的情況下，相較於習知技術施加較大的壓力（5 MPa至約30 MPa），使奈米孿晶層106表面凸起結構進行奈米等級的塑性變形，達到緊密接觸目標，不僅解決奈米孿晶層106表面粗糙度問題，更免除了習知技術必須額外進行繁複的化學機械拋光步驟，大幅提升產能及良率，但本揭露不以此為限，在其他實施例中，固晶接合結構100可以在不施加壓力的情況下進行接合製程。
第5圖是根據一比較例，繪示出固晶接合結構200之剖面示意圖。固晶接合結構200類似於第4圖的固晶接合結構100，差別在於固晶接合結構200不具有奈米孿晶層106，而是設置擴散阻障層202以及等軸粗晶粒層204在黏著層104與燒結層108之間。在此對照例中，為了避免高溫接合製程中，等軸粗晶粒層204朝晶片102擴散或者黏著層104朝等軸粗晶粒層204擴散，因此，需要在黏著層104與燒結層108之間設置擴散阻障層202，且由於等軸粗晶粒層204（例如：銀）在與擴散阻障層202（例如：鎳）的界面不會發生反應，因此接合力較差。
返回第4圖，在一實施例中，黏著層104與奈米孿晶層106直接接觸，換句話說，黏著層104與奈米孿晶層106之間不具有擴散阻障層202。由於晶片102與載板110之間具有奈米孿晶層106的情況下，可以進行低溫接合製程，可避免因高溫而造成不期望的擴散發生，因此，黏著層104與奈米孿晶層106之間不需要擴散阻障層202來避免相互擴散，同時可避免奈米孿晶層106與擴散阻障層202的接合力較差的可能，但本揭露不以此為限，在其他實施例中，固晶接合結構100可包括擴散阻障層202。
以下描述本揭露一些固晶接合結構的實驗例以及比較例的檢測結果。
比較例
1
：
SiC
/Cr/Ni/Ag
結構
第6圖是根據一實驗例，顯示SiC/Cr/Ni/Ag結構使用聚焦離子束（focused ion beam, FIB）所得的剖面金相圖。SiC/Cr/Ni/Ag結構為第5圖的固晶接合結構200的一個例示，其中晶片102為碳化矽（SiC）、黏著層104為鉻（Cr）、擴散阻障層202為鎳（Ni）、以及等軸粗晶粒層204為銀（Ag）。
實驗例
1
：
SiC
/Cr/nt-Ag
結構
第7圖是根據一實驗例，顯示SiC/Cr/nt-Ag結構使用聚焦離子束（FIB）所得的剖面金相圖。SiC/Cr/nt-Ag結構為第4圖的固晶接合結構100的一個例示，其中晶片102為碳化矽（SiC）、黏著層104為鉻（Cr）、以及奈米孿晶層106為銀（Ag）。此處的用語「nt-Ag」指的是銀奈米孿晶（nano-twinned, nt）。
[
接合強度量測
]
將前述比較例1的結構以及實驗例1的結構各自與銀膏（作為燒結層108）以及直接覆銅陶瓷（direct bond copper, DBC）基板（作為載板110）在真空的環境下，加壓10MPa或不施加壓力並在不同接合溫度（例如：150℃、180℃、以及225℃）的條件下進行燒結，在固晶接合後，使用由諾信（Nordson）公司製造的焊接強度測試儀DAGE 4000測量接合強度，加壓10MPa的結果如表1及第8圖所示，而不施加壓力結果如表2及第9圖所示。
[表1]
| 接合強度 （MPa） | |||
| 接合溫度 | 150°C | 180°C | 225°C |
| 比較例 1 | 10.50 | 21.67 | 31.07 |
| 實驗例 1 | 33.10 | 38.60 | 45.20 |
[表2]
| 接合強度 （MPa） | ||||
| 接合溫度 | 150°C | 180°C | 225°C | 300°C |
| 比較例 1 | 10.17 | 19.67 | 26.07 | 12.80 |
| 實驗例 1 | 12.57 | 21.60 | 28.20 | 16.00 |
根據表1、表2、第8圖、及第9圖，能夠確認實驗例1（SiC/Cr/nt-Ag）在真空的環境下，不論是加壓10MPa或不施加壓力，於各種接合溫度（例如：150℃、180℃、、225℃、及300℃）的條件下進行燒結，相較於比較例1（SiC/Cr/Ni/Ag）均具有較佳的接合強度。也就是說，在各種接合溫度條件下，具有奈米孿晶層106的固晶接合結構100與具有等軸粗晶粒層204的固晶接合結構200相比均具有較佳的接合強度。
比較例
2
：
SiC
/Ti/Ni/Ag
結構
第10圖是根據另一實驗例，顯示SiC/Ti/Ni/Ag結構與銀膏（作為燒結層108）以及直接覆銅陶瓷（direct bond copper, DBC）基板（作為載板110）在真空環境下，加壓10MPa並在250℃的接合溫度下進行燒結，在固晶接合後，使用聚焦離子束（FIB）所得的剖面金相圖。SiC/Ti/Ni/Ag結構為第5圖的固晶接合結構200的另一個例示，其中晶片102為碳化矽（SiC）、黏著層104為鈦（Ti）、擴散阻障層202為鎳（Ni）、以及等軸粗晶粒層204為銀（Ag）。值得注意的是，由於比較例2的結構不具有銀奈米孿晶（例如：第4圖中的奈米孿晶層106），因此，在固晶接合時，等軸粗晶粒層204中的銀不會擴散到燒結層108（如方框302所示），因此，等軸粗晶粒層204與燒結層108之間的接合力較差。
實驗例
2
：
SiC
/Ti/nt-Ag
結構
第11圖是根據另一實驗例，顯示SiC/Ti/nt-Ag結構與銀膏（作為燒結層108）以及直接覆銅陶瓷（direct bond copper, DBC）基板（作為載板110）在真空環境下，加壓10MPa並在250℃的接合溫度下進行燒結，在固晶接合後，使用聚焦離子束（FIB）所得的剖面金相圖。SiC/Ti/nt-Ag結構為第4圖的固晶接合結構100的另一個例示，其中晶片102為碳化矽（SiC）、黏著層104為鈦（Ti）、以及奈米孿晶層106為銀（Ag）。值得注意的是，由於實驗例2的結構中的銀奈米孿晶（例如：第4圖中的奈米孿晶層106）具有高擴散速率的特性，因此，在固晶接合的過程中，奈米孿晶層106中的銀會擴散到燒結層108以促進界面燒結反應的進行（如方框402所示），因此，奈米孿晶層106與燒結層108之間的接合力較佳。
[
接合強度量測
]
將前述比較例2的結構以及實驗例2的結構使用由諾信（Nordson）公司製造的焊接強度測試儀DAGE 4000測量接合強度，結果如表3及第12圖所示。
[表3]
| 接合強度 （MPa） | |||
| 接合溫度 | 150°C | 200°C | 250°C |
| 比較例 2 | 11.0 | 15.3 | 19.9 |
| 實驗例 2 | 18.9 | 20.5 | 38.8 |
根據表3及第12圖，能夠確認實驗例2（SiC/Ti/nt-Ag）在各種接合溫度（例如：150℃、200℃、以及250℃）的條件下進行燒結，相較於比較例1（SiC/Ti/Ni/Ag）均具有較佳的接合強度。也就是說，在各種接合溫度條件下，具有奈米孿晶層106的固晶接合結構100與具有等軸粗晶粒層204的固晶接合結構200相比均具有較佳的接合強度。
值得注意的是，比較例2的結構在150℃的接合溫度下進行燒結後，其接合強度因太低而不堪使用，但實驗例2的結構在150℃的接合溫度下進行燒結後，其接合強度已將近20MPa。此外。比較例2以及實驗例2的結構在250℃的接合溫度下進行燒結後，實驗例2的接合強度幾乎是比較例2的兩倍。
比較例
3
：
Si/Ti/Ni/Cu
結構
Si/Ti/Ni/Cu結構為第5圖的固晶接合結構200的又一個例示，其中晶片102為矽（Si）、黏著層104為鈦（Ti）、擴散阻障層202為鎳（Ni）、以及等軸粗晶粒層204為銅（Cu）。
實驗例
3
：
Si/Ti/nt-Cu
結構
Si/Ti/nt-Cu結構為第4圖的固晶接合結構100的又一個例示，其中晶片102為矽（Si）、黏著層104為鈦（Ti）、以及奈米孿晶層106為銀（Ag）。
[
接合強度量測
]
將前述比較例3的結構以及實驗例3的結構各自與銀膏（作為燒結層108）以及直接覆銅陶瓷（direct bond copper, DBC）基板（作為載板110）在真空的環境下，加壓15MPa或不施加壓力並在不同接合溫度（例如：150℃、200℃、以及250℃）的條件下進行燒結，在固晶接合後，使用由諾信（Nordson）公司製造的焊接強度測試儀DAGE 4000測量接合強度，加壓15MPa的結果如表4及第13圖所示，而不施加壓力結果如表2及第9圖所示。
[表4]
| 接合強度 （MPa） | |||
| 接合溫度 | 150°C | 200°C | 250°C |
| 比較例 3 | 15.88 | 28.67 | 32.33 |
| 實驗例 3 | 17.02 | 31.79 | 39.84 |
[表5]
| 接合強度 （MPa） | |||
| 接合溫度 | 150°C | 200°C | 250°C |
| 比較例 3 | 10.00 | 18.16 | 20.22 |
| 實驗例 3 | 10.74 | 18.62 | 21.70 |
根據表4、表5、第13圖、及第14圖，能夠確認實驗例3（SiC/Ti/nt-Cu）在真空的環境下，不論是加壓15MPa或不施加壓力，於各種接合溫度（例如：150℃、200℃、以及250℃）的條件下進行燒結，相較於比較例3（Si/Ti/Ni/Cu）均具有較佳的接合強度。也就是說，在各種接合溫度條件下，具有奈米孿晶層106的固晶接合結構100與具有等軸粗晶粒層204的固晶接合結構200相比均具有較佳的接合強度。
本揭露的實施例具有一些有利特徵。位於晶片與奈米孿晶層之間的黏著層，提供晶片與奈米孿晶層之間較佳的接合力，以避免產生剝落，且黏著層同時具有晶格緩衝的效果，以減少晶片晶格對成長銀奈米孿晶結構的影響。本揭露提供一種具有奈米孿晶層的固晶接合結構，間接利用奈米孿晶（111）結晶方位的高擴散速率特性促進界面燒結反應的進行，以輔助功率（integrated circuit, IC）模組及高功率發光二極體（light-emitting diode, LED）封裝的銀燒結或銅燒結固晶接合，不僅如同奈米孿晶的直接接合可以使固晶接合溫度降低，其接合強度亦大幅增加，同時由於燒結層的存在，避免了奈米孿晶直接接合的界面破裂問題，有效提升封裝產品的可靠度。此外，由於進行低溫接合製程，可避免因高溫而造成不期望的擴散發生，因此，黏著層與奈米孿晶層之間不需要擴散阻障層，同時可避免奈米孿晶層與擴散阻障層的接合力較差的可能。
以上概述數個實施例之部件，以便在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者可更易理解本揭露實施例的觀點。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應理解，他們能以本揭露實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者也應理解到，此類等效的製程和結構並無悖離本揭露的精神與範圍，且他們能在不違背本揭露之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。
100:固晶接合結構
102:晶片
104:黏著層
106:奈米孿晶層
108:燒結層
110:載板
200:固晶接合結構
202:擴散阻障層
204:等軸粗晶粒層
302/302:方框
以下將配合所附圖式詳述本揭露的各種態樣。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種部件並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上，可任意地放大或縮小元件的尺寸，以清楚地表現出本揭露實施例的部件。還需注意的是，所附圖式僅說明本揭露的典型實施例，因此不應認為是對其範圍的限制，本揭露同樣可以適用於其他實施例。
第1圖至第4圖是根據一些實施例，繪示出固晶接合結構於不同製造階段之剖面示意圖。
第5圖是根據一比較例，繪示出固晶接合結構之剖面示意圖。
第6圖是根據一些實施例，顯示SiC/Cr/Ni/Ag結構使用聚焦離子束所得的剖面金相圖。
第7圖是根據一些實驗例，顯示SiC/Cr/nt-Ag結構使用聚焦離子束所得的剖面金相圖。
第8圖至第9圖是根據一些實驗例，繪示出接合溫度對剪移強度的圖表。
第10圖是根據另一些實驗例，顯示SiC/Ti/Ni/Ag結構使用聚焦離子束所得的剖面金相圖。
第11圖是根據另一些實驗例，顯示SiC/Ti/nt-Ag結構使用聚焦離子束所得的剖面金相圖。
第12圖是根據另一些實驗例，繪示出接合溫度對剪移強度的圖表。
第13圖至第14圖是根據又一些實驗例，繪示出接合溫度對剪移強度的圖表。
100:固晶接合結構
102:晶片
104:黏著層
106:奈米孿晶層
108:燒結層
110:載板
Claims (14)
- 一種固晶接合結構，包括： 一載板； 一燒結層，位於該載板上； 一奈米孿晶層，位於該燒結層上，其中該奈米孿晶層的一表面具有密度80%以上的[111]結晶方位，其中該奈米孿晶層具有一平行排列孿晶界，該平行排列孿晶界包括40%以上的[111]結晶方位，且該平行排列孿晶界的間距為10至100奈米； 一黏著層，位於該奈米孿晶層上；以及 一晶片，位於該黏著層上。
- 如請求項1所述之固晶接合結構，其中該載板包括：一金屬散熱片、表面被覆銅電路層及一保護層的印刷電路板、或表面被覆銅電路層及該保護層的一陶瓷基板。
- 如請求項2所述之固晶接合結構，其中該保護層包括：有機可焊性保護層（OSP）、或一金屬薄膜。
- 如請求項3所述之固晶接合結構，其中該金屬薄膜包括：Ni、Ni/Pd、Ni/Au、或Ni/Pd/Au。
- 如請求項2所述之固晶接合結構，其中該陶瓷基板包含：氧化鋁（Al 2O 3）、氮化鋁（AlN）、或氮化矽（Si 3N 4）。
- 如請求項2所述之固晶接合結構，其中該金屬散熱片包括：鋁或銅。
- 如請求項1所述之固晶接合結構，其中該燒結層包含：銀、銅、或銀銅複合物。
- 如請求項1所述之固晶接合結構，其中該奈米孿晶層包括：銀、銅、或銀銅合金。
- 如請求項1所述之固晶接合結構，其中該奈米孿晶層的厚度為0.1至100微米。
- 如請求項1所述之固晶接合結構，其中該黏著層包括：鈦、鋁鈦、鉻、或鈦鎢。
- 如請求項1所述之固晶接合結構，其中該黏著層的厚度為0.01微米至0.5微米。
- 如請求項1所述之固晶接合結構，其中該晶片為功率積體電路（IC）晶片、或發光二極體晶片。
- 如請求項1所述之固晶接合結構，其中該晶片包括下述材料之單晶：矽（Si）、鍺（Ge）、碳化矽（SiC）、藍寶石（Sapphire）、砷化鎵（GaAs）、或氮化鎵（GaN）。
- 如請求項1至13中任一項所述之固晶接合結構，其中該黏著層與該奈米孿晶層直接接觸。
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| TW112211673 | 2023-10-30 |
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|---|---|
| TW (1) | TWM651995U (zh) |
-
2023
- 2023-11-15 TW TW112212363U patent/TWM651995U/zh unknown
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